CN109916741A - 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法 - Google Patents
一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109916741A CN109916741A CN201910048029.XA CN201910048029A CN109916741A CN 109916741 A CN109916741 A CN 109916741A CN 201910048029 A CN201910048029 A CN 201910048029A CN 109916741 A CN109916741 A CN 109916741A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- composite material
- impact
- composite
- grating sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims abstract description 11
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 claims abstract description 9
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 7
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 claims description 6
- 208000014674 injury Diseases 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 3
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 3
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 2
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 claims 1
- 230000036541 health Effects 0.000 abstract description 6
- 208000034656 Contusions Diseases 0.000 abstract description 2
- 208000034526 bruise Diseases 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 206010000369 Accident Diseases 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011157 advanced composite material Substances 0.000 description 1
- 230000002929 anti-fatigue Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。包括步骤：S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况等。本发明基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法利用波长梯度变化量来确定复合材料冲击裂纹的产生，并通过光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度来判断冲击裂纹的密度，具有较高的识别率与计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。
背景技术
先进复合材料具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗疲劳以及大面积整体成型等优点，因而被广泛应用于航空航天等领域。飞机复合材料结构承受的低速冲击，如工具掉落、跑道碎片、鸟撞、地面车辆撞击飞机等，会对结构造成几乎不可见的冲击损伤。飞机复合材料结构的冲击事件往往无法预见，冲击造成的不可见损伤可能会在计划维修之前发生失效，导致飞行事故发生。
复合材料结构健康监测传感器需要在各种恶劣的环境下，探测在不同激励条件下结构的各种响应，并要长期连续记录结构载荷和损伤情况，对传感器信号稳定性、灵敏度、耐腐蚀性和使用寿命要求严格。传统的应变传感器主要是电阻应变片，但电阻应变片是有源器件，易受电磁场影响，防水性能、长期稳定性能与抗腐蚀性能较差，导致传感器的灵敏度和准确度较低。另外，电阻应变片与复合材料结构兼容性差，通常粘贴于复合材料表面，很难埋入复合材料结构内，不能检测复合材料内部损伤，不易实现与结构的整体化集成。与传统应变片传感器相比，光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器具有抗电磁干扰、防水性能强、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点，因而备受人们关注。此外，光纤光栅直径小，可以较方便地埋入碳纤维预浸料或干态纤维织物中，且与基体材料兼容性良好，从而满足复合材料结构健康监测对传感器提出的微型化、可靠性高的特殊要求。
目前，国内外基于FBG传感器的复合材料结构健康监测技术研究主要集中在复合材料固化过程监测、冲击定位监测、损伤识别等几个方面。对于飞行器复合材料的实时在线结构健康监测技术主要关注的是冲击定位监测、损伤识别研究，包括FBG传感器在复合材料中的安装铺设，但对复合材料冲击定位与裂纹检测算法的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法可以确定复合材料冲击裂纹的产生并判断出裂纹的密度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，包括如下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
步骤S7，对复合材料进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
较优的，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
较优的，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
本发明的有益效果是：本发明基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法利用波长梯度变化量来确定复合材料冲击裂纹的产生，并通过光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度来判断冲击裂纹的密度，具有较高的识别率与计算效率。
附图说明
图1为本发明实施例的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集示意图；
图2是本发明实施例的裂纹判决算法示意图；
图3是本发明实施例的裂纹密度响应算法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，以下结合附图及实施例，对本发明的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合各个附图，依次对本发明的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法做进一步的详细描述。
实施例1：如图1所示，本发明所描述的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集方案，本发明采用碳纤维复合材料，铺层顺序为[45/0/-45/90]_2S，把光纤光栅传感器埋入固化复合材料中，采用碳纤维预浸料热压罐成型工艺，光纤光栅解码仪采样率为50千赫兹。本发明采用碳纤维环氧树脂复合材料试样，建立不同尺寸、不同铺设层数、不同的冲击力度并按一定的尺寸来划分冲击网格，可选择：复合材料层数为6层、9层、12层，复合材料尺寸为200mm×200mm、400mm×400mm、600mm×600mm、800mm×800mm、1000mm×1000mm，冲击能量为0.5J、1J、2J、3J、4J、5J、6J、7J、8J、9J、10J。把FBG传感器埋入复合材料层板的四个对角，并在每个冲击网格内埋入FBG用于检测冲击损伤。通过FBG引出光纤采集复合材料的冲击样本数据，即为步骤S1；
如图2所示，裂纹判决算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
较优的，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
如图3所示，裂纹密度响应算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S7，对复合材料进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
较优的，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (3)
1.一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
步骤S7，对复合材料进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，其特征在于，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，其特征在于，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910048029.XA CN109916741B (zh) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910048029.XA CN109916741B (zh) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109916741A true CN109916741A (zh) | 2019-06-21 |
| CN109916741B CN109916741B (zh) | 2021-08-13 |
Family
ID=66960479
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910048029.XA Active CN109916741B (zh) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109916741B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114923420A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-19 | 中南大学 | 基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005208000A (ja) * | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Mitsubishi Electric Corp | リブ構造体およびその構造体の製造方法 |
| US20080128600A1 (en) * | 2006-12-01 | 2008-06-05 | Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha | Impact detection system |
| CN105043458A (zh) * | 2015-09-17 | 2015-11-11 | 山东大学 | 一种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置和方法 |
| CN105954293A (zh) * | 2016-05-03 | 2016-09-21 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法 |
| CN108333043A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-07-27 | 中国特种飞行器研究所 | 一种基于fbg传感器的复合材料修补结构裂纹实时监测方法 |
| CN108613870A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-10-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法 |
| CN108760526A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-06 | 南京航空航天大学 | 陶瓷基复合材料高温空气环境基体裂纹观测系统及观测方法 |
| CN109001219A (zh) * | 2018-09-11 | 2018-12-14 | 山东大学 | 复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法 |
-
2019
- 2019-01-18 CN CN201910048029.XA patent/CN109916741B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005208000A (ja) * | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Mitsubishi Electric Corp | リブ構造体およびその構造体の製造方法 |
| US20080128600A1 (en) * | 2006-12-01 | 2008-06-05 | Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha | Impact detection system |
| CN105043458A (zh) * | 2015-09-17 | 2015-11-11 | 山东大学 | 一种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置和方法 |
| CN105954293A (zh) * | 2016-05-03 | 2016-09-21 | 北京航空航天大学 | 一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法 |
| CN108333043A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-07-27 | 中国特种飞行器研究所 | 一种基于fbg传感器的复合材料修补结构裂纹实时监测方法 |
| CN108613870A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-10-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法 |
| CN108760526A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-11-06 | 南京航空航天大学 | 陶瓷基复合材料高温空气环境基体裂纹观测系统及观测方法 |
| CN109001219A (zh) * | 2018-09-11 | 2018-12-14 | 山东大学 | 复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114923420A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-19 | 中南大学 | 基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质 |
| CN114923420B (zh) * | 2022-05-18 | 2022-12-27 | 中南大学 | 基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109916741B (zh) | 2021-08-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102865992B (zh) | 一种复合材料层板冲击损伤识别方法及测试装置 | |
| CN105158265B (zh) | 一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法 | |
| CN201819697U (zh) | 一种桥梁安全监控警示装置 | |
| TW201107561A (en) | Bridge structural safety monitoring system and method thereof | |
| CN109916742A (zh) | 一种基于光纤光栅传感的高精度复合材料冲击定位算法 | |
| CN102330645A (zh) | 一种风电机组结构健康监测系统及其方法 | |
| CN106679582B (zh) | 一种基于应变的船闸背拉杆的动态监测系统及其监测方法 | |
| CN104458911B (zh) | 一种风力机叶片超声检测的缺陷种类判定方法 | |
| CN105783756A (zh) | 基于光纤光栅的输电线路铁塔形变在线监测装置及方法 | |
| CN102901560A (zh) | 一种海洋导管架平台结构安全综合监测系统 | |
| CN107543581A (zh) | 多功能变电构架健康监测和损伤识别方法 | |
| CN110294380A (zh) | 一种基于数据驱动的电梯制动器抱闸响应性能监测方法及监测装置 | |
| CN113532304A (zh) | 基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法 | |
| CN203132755U (zh) | 一种无线智能拉力在线监测系统 | |
| CN112556760A (zh) | 一种桥梁裂缝监测系统 | |
| CN109916741A (zh) | 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法 | |
| JPS62145155A (ja) | 荷重が掛かつている構造体におけるクラツクをモニタするための方法 | |
| CN107941271A (zh) | 满堂支架安全预警施工工艺 | |
| CN116823192A (zh) | 一种铁塔智能检测系统 | |
| CN204984740U (zh) | 风力发电机塔筒结构监测系统 | |
| CN106770481A (zh) | 桥梁吊索监测传感器 | |
| CN208567888U (zh) | 一种海洋平台海冰监测装置 | |
| CN206270275U (zh) | 一种桥梁吊索监测传感器 | |
| CN110375791A (zh) | 基于光纤传感技术的桥梁安全监控方法 | |
| CN203065039U (zh) | 一种起重机金属结构健康监测系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |